研究高考实验试题 提升科学探究能力

程梦辉

摘要：本文总结了高考物理实验试题的有机整合、适当延伸、演变创新3种重要命题形式及对应求解策略，期望对培养和提升学生的科学探究能力有所帮助。

关键词：高考实验试题  科学探究能力  有机整合

高考物理实验试题不仅题型灵活，能很好地考查学生的多种实验技能，而且这类试题往往源于课本而又适当高于课本，能突出考查学生的科学探究能力，为此，广大教师必须认真研究高考物理实验试题，引导学生关注近年高考物理实验试题，持续培养和提高学生的科学探究能力。研究发现，近年高考中突出考查学生科学探究能力的物理实验试题主要有三种类型，本文将总结这三类实验试题的命题特点及解答策略，供物理同行参考。

一、有机整合物理实验

此类实验试题的基本特点是将教材中的几个（多为两个实验）物理实验（包括教师演示实验和学生分组实验）有机结合起来（如：验证牛顿第二定律实验与探究动能定理实验相结合、电表改装实验与测电阻实验相结合、测电阻率实验与传感器的简单应用实验相结合等）。

这类试题貌似新颖实为常规。对这类实验试题的求解，我们应当善于通过对试题的分析，学会化大为小，将一个完整的实验问题分割成若干个常规的小实验问题，再按照实验的基本技能各個击破、分步解答，以实现问题的顺利求解。

教师在物理教学中，应当根据教学实际，适时编制物理实验组合试题。通过分析求解物理实验组合试题，学生不仅能有效比较不同实验之间的相似与区别之处，从而加深理解和掌握物理规律，同时还能不断培养和提高学生的综合分析能力。

二、适当延伸物理实验

此类实验试题的特点是源于课本而又适当高于课本，在考察教材演示实验或学生分组实验的基础上，再对实验加以适当延伸（如：在改装电表后再对改装后的电表进行校对;在描绘小灯泡I-U曲线的基础上，又提出探究小灯泡实际功率与两端电压之间的关系、探究小灯泡电阻与两端电压之间的关系;等等）。对这类实验试题的求解，我们首先必须明确常规实验试题的解题思路，对延伸出来的实验问题，应当根据实验要求，确定对应的物理知识或实验方法，进而推导出处理实验数据的计算公式，并进一步确定实验方案，以实现问题的逐步解决。本文列举一例：

例1：某实验小组做“验证牛顿运动定律”实验，实验装置如图甲所示，实验中均满足沙桶和沙的总质量远小于小车质量。在正确安装实验装置后，首先进行了平衡摩擦力操作。

（1）实验小组在一次实验中得到一条纸带如图乙所示，已知打点计数器所接交流电电源的频率是50 Hz，则由纸带可求出小车的加速度大小为_______m/s2。（计算结果取两位有效数字）

（2）实验小组多次改变沙与沙桶的总质量，根据多次实验及数据做出了加速度a与合力F的关系图像如图丙所示，则可能的原因是_____________________。

（3）在对第（2）问中出现的问题做了修正后，实验小组保持沙和沙桶的总质量不变，并多次改变放置在小车上的砝码质量m，同时测出多组对应的加速度a，以m为横坐标、1/a为纵坐标，得到如图丁所示的关系图像。如果该图像“斜率”为k、图中纵轴上的“截距”为b，则小车质量M为_______。

解析：此题源于学生分组实验并适当延伸（即第3问中确定小车质量M）。下面予以分析：

（1）根据图乙中纸带的数据，采用逐差法可求得加速度大为：a=x4+x3-x2-x14T2=0.59 m/s2。

（2）由图丙看出，图线再a轴上有截距，说明对小车没有施加拉力F时就有了加速度，这说明平衡摩擦力过度了。

（3）由牛顿运动定律可得，F=（M+m）a，推得：1a=1F·m+MF

由图丁所示图线的“斜率”k及“截距”b，可以得出：M=bk。

三、演变创新物理实验

物理实验的演变创新是高考物理试题中的一大亮点。面对让人耳目一新的实验试题，首先，我们必须明确实验目的，是测量性实验（如：测未知电阻的阻值、测电源的电动势和内阻等）、还是验证性实验（如：验证牛顿运动定律、验证动量守恒定律等）或探究性实验（如：探究小灯泡电流I与电压U之间的关系）。创新类实验试题往往有一些条件限制，此时要跳出习惯性思维（如：一看到测电阻大家就会想到伏安法，其实，对应不同的题目条件，就有多种方法测电阻），以实验目的为中心，结合题目条件联系所学的物理知识，从而确定实验原理，并进一步推导出处理实验数据的关系式等，以实现问题的进一步求解。本文列举一例：

例2.目前社会上已普遍使用LED灯来照明。某LED灯的产品说明书这样介绍，“本LED灯的耗能仅为白炽灯的1/10、节能灯的1/4……”该LED灯的工作电压是“1.5～5.0 V”，最大正向直流电流约25 mA，发光效率η（效率η是指辐射的全部光功率P光与消耗电功率P的比值）与工作电压U的关系曲线如图乙所示。某实验小组设计了如图甲所示的实验电路，用于探究该LED灯的电功率P随电压U变化的关系，并依据此实验结果计算出该灯效率最大时的电阻RL及辐射的光功率P光。

实验小组绘出了如图丙所示的P-U图，则该LED灯效率达最大时的电阻RL=Ω，辐射的光功率P光=W。

解析：我们既不能采用R=UI计算电阻RL、也不能用P=UI计算P光。

由图乙可知，LED灯管效率达到最大时对应的工作电压为2 V，又根据题图丙可知工作电压为2 V时灯管消耗的电功率P=2.0×10-2 W，此时工作电流I=P/U=1.0×10-2 A。由η=P光P×100%，解得P光=P×60%=1.2×10-2 W，此时有（P-P光）=I2RL，解得RL=80 Ω。

近年高考对物理实验问题的考察难度相对较大，这就要求广大教师在教学的各个环节高度重视物理实验，持续培养和提升学生科学探究的能力，使学生在全面掌握实验基本技能的同时，不断提升创新思维能力，能灵活应用所学的物理知识求解情景新颖的实验问题。只有这样，学生才能在将来轻松面对高考，在高考中取得优异成绩。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]封安保，电学实验设计与思维转向意识[J].物理教师，2011（12）.